Производительность современных компьютеров, использующих электроны в качестве носителей сигнала, в значительной степени ограничена временем, необходимым для срабатывания транзистора — обычно около 0.1 — 1 наносекунда (1 / 1,000,000,000 секунды). Однако оптические компьютеры следующего поколения полагаются на фотоны для передачи полезного сигнала, что значительно увеличивает количество информации, проходящей через транзистор в секунду. По этой причине создание сверхбыстрого и компактного полностью оптического транзистора считается важным инструментом в развитии оптических вычислений.
Такое наноустройство позволило бы ученым управлять распространением луча оптического сигнала с помощью внешнего управляющего луча в течение нескольких пикосекунд (1/1000000000000 секунды).
В своем исследовании группа российских ученых из Университета ИТМО, Физического института им.
П.Н. Лебедева и Академического университета в Санкт-Петербурге предложила совершенно новый подход к созданию таких оптических транзисторов, создав прототип, используя только одну кремниевую наночастицу.
Ученые обнаружили, что они могут резко изменить свойства кремниевой наночастицы, облучая ее интенсивным и ультракоротким лазерным импульсом.
Таким образом, лазер действует как управляющий луч, обеспечивая сверхбыстрое фотовозбуждение плотной и быстро рекомбинирующей электронно-дырочной плазмы, присутствие которой изменяет диэлектрическую проницаемость кремния на несколько пикосекунд. Такое резкое изменение оптических свойств наночастицы открывает возможность управлять направлением, в котором рассеивается падающий свет. Например, направление рассеяния наночастиц может быть изменено с обратного на прямое в пикосекундной шкале времени, в зависимости от интенсивности падающего управляющего лазерного импульса. Эта концепция сверхбыстрого переключения очень перспективна для создания полностью оптических транзисторов.
«Как правило, исследователи в этой области сосредоточены на разработке полностью оптических транзисторов наноразмерного масштаба посредством управления поглощением наночастиц, что, по сути, вполне логично. В режиме высокого поглощения световой сигнал поглощается наночастицей и не может пройти, в то время как вне этого режима свет может проходить мимо наночастицы. Однако решающих результатов этот метод не дал », — поясняет Сергей Макаров, ведущий автор исследования, старший научный сотрудник отдела нанофотоники и метаматериалов. «Наша идея отличается в том смысле, что мы контролируем не абсорбционные свойства наночастицы, а ее диаграмму рассеяния. Скажем, наночастица обычно рассеивает почти весь падающий свет в обратном направлении, но как только мы облучаем ее управляющим импульсом, она меняет конфигурацию и начинает рассеивать свет вперед."
Выбор кремния в качестве материала для оптического транзистора был не случаен. Создание оптического транзистора требует использования недорогих материалов, пригодных для массового производства и способных изменять свои оптические свойства за несколько пикосекунд (в режиме плотной электронно-дырочной плазмы) без одновременного перегрева.
«Время, необходимое нам для деактивации нашей наночастицы, составляет всего несколько пикосекунд, в то время как для ее активации нам требуется не более десятков фемтосекунд (1/1000000000000000). Теперь у нас уже есть экспериментальные данные, которые ясно показывают, что одиночная наночастица кремния действительно может играть роль полностью оптического транзистора.
В настоящее время мы планируем провести новые эксперименты, в которых, помимо управляющего лазерного луча, мы введем полезный сигнальный луч », — заключает Павел Белов, соавтор статьи и заведующий кафедрой нанофотоники и метаматериалов.